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Die Erfindung betrifft einen längeneinstellbaren Werkzeughalter für ein rotierendes Werkzeug.
Herkömmliche Werkzeughalter für rotierende Werkzeuge, beispielsweise Bohrer, Fräser oder Reibwerkzeuge, wie sie beispielsweise aus US 5 311 654 bekannt sind, haben ein mit einem Kupplungsschaft für die Verbindung mit einer Werkzeugmaschine versehenes Basiselement, welches dem Kupplungsschaft axial abgewandt in einem eine zentrische Aufnahmeöff- nung bildenden Hülsenteil endet. Bei dem Kupplungsschaft kann es sich um einen herkömmlichen Normanschluss, beispielsweise in Form eines Steilke- gels oder dgl., handeln.
Der Hülsenteil nimmt den Schaft des Werkzeugs im Presssitz auf und ist mittels einer Heizeinrichtung, vorzugsweise einer induktiven Heizeinrichtung, thermisch aufweitbar, so dass der im abgekühl- ten Zustand in dem Hülsenteil festsitzende Werkzeugschaft in die Auf- nahmeöffnung des Hülsenteils axial eingesteckt oder aus dieser herausge- zogen werden kann.
Aus US 5 311654 ist es ferner bekannt, den Werkzeughalter 2-teilig auszubilden. In die Aufnahmeöffnung des Basiselements ist eine rohrzylin- drische Reduzierhülse eingeschrumpft, die ihrerseits eine Aufnahmeöffnung für den Werkzeugschaft bildet. Auch die Reduzierhülse nimmt den Werk- zeugschaft im Presssitz auf und steht mit ihrem die Presssitzkräfte über- tragenden Bereich über den Hülsenteil des Basiselements vor, so dass die Reduzierhülse unabhängig davon, ob sie in das Basiselement eingesetzt ist oder nicht, zum Wechseln des Werkzeugs thermisch, beispielsweise mittels der Induktionsheizeinrichtung, aufgeweitet werden kann.
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Die Aufnahmeöffnung sowohl des Hülsenteils als auch der Reduzierhülse erstreckt sich über die gesamte axiale Länge des Werkzeughalters und ist -in dem die Presssitzkräfte auf den Werkzeugschaft übertragenden, inneren
Mantelbereich mit mehreren, beispielsweise 4 Nuten versehen, über die im
Betrieb des Werkzeugs Kühlflüssigkeit durch den Werkzeughalter hindurch dem Werkzeug zugeführt werden kann.
In der Praxis ist es wünschenswert, längeneinstellbare Werkzeughalter, insbesondere in Form der vorstehend erläuterten wärmeschrumpfbaren Werkzeughalter, zur Verfügung zu haben. Bei herkömmlichen wärmeschrumpfbaren Werkzeughaltern kann zwar der Werkzeugschaft vielfach axial positioniert werden, doch sind dieser Möglichkeit vergleichsweise enge Grenzen durch die gleichbleibend festgelegten Abmessungen des Werkzeughalters gesetzt. Es ist Aufgabe der Erfindung, einen wärmeschrumpfbaren Werkzeughalter anzugeben, der es erlaubt, das Werkzeug in sehr weiten Grenzen relativ zum Kupplungsschaft wählbar zu positionieren, ohne die Drehmomentübertragungseigenschaften des Werkzeughalters zu beeinträchtigen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss ein längeneinstellbarer Werkzeughalter für ein rotierendes Werkzeug vorgeschlagen, der gekennzeichnet ist durch: Ein mit einem Kupplungsschaft für die Verbindung mit einer Werkzeugmaschine versehenes Basiselement, welches dem Kupplungsschaft axial abgewandt in einem eine zentrische Aufnahmeöffnung bildenden Hülsenteil endet und durch mehrere rohrzylindrische, ihrerseits jeweils eine zentrische Aufnahmeöffnung bildende Verlängerungshülsen, von denen eine erste axial variabel positionierbar im Presssitz in der Aufnahmeöffnung des Hülsenteils angeordnet ist und jede weitere der Verlängerungshülsen axial variabel positionierbar im Presssitz in der Aufnahmeöffnung der zum Basiselement hin benachbarten Verlängerungshülse angeordnet ist,
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wobei das Werkzeug mit seinem Schaft im Presssitz in der Aufnahmeöff- nung der zum Basiselement am weitesten entfernt gelegenen Verlänge- rungshülse angeordnet ist und der die Presssitzkräfte übertragende Bereich des Hülsenteils und jeder der Verlängerungshülsen für das Einführen oder Positionieren oder Herausnehmen der Verlängerungshülse bzw. des Werk- zeugschafts durch Erwärmen, insbesondere mittels einer Induktionsheiz- einrichtung, aufweitbar ist.
Bei einem solchen Werkzeughalter sind die Verlängerungshülsen relativ zueinander und zum Hülsenteil des Basiselements teleskopierbar, so dass die axiale Länge des Werkzeughalters insgesamt in sehr weitenGrenzen variiert werden kann. Die an der Übertragung der Presssitzkräfte beteilig- ten, einander zugeordneten Flächen, sind hochpräzise herstellbar, so dass trotz variabler Positionierung präzise Rundlaufeigenschaften erreicht wer- den.
Die Aussendurchmesser der Verlängerungshülsen entsprechen zweck- mässigerweise Normdurchmessern von Werkzeugschäften, so dass die Anzahl der zur Verlängerung benutzten Verlängerungshülsen den Praxisan- forderungen entsprechend gewählt werden kann und ggf. mit einem Satz im Aussendurchmesser oder/und Innendurchmesser abgestufter Verlänge- rungshülsen nicht nur die axiale Länge des Werkzeughalters variiert werden kann, sondern auch der Werkzeughalter an den Nenn-Durchmesser des letztendlich zu spannenden Werkzeugschafts angepasst werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der die Presssitz- kräfte übertragende Bereich des Hülsenteils und der Verlängerungshülsen jeweils im Wesentlichen bis an das dem Kupplungsschaft axial abgewandte Stirnende heranreicht und die Aufnahmeöffnung des Hülsenteils oder/und der Verlängerungshülsen über den die Presssitzkräfte übertragenden Be- reich axial zum Kupplungsschaft hin verlängert und im Durchmesser bezo- gen auf den Durchmesser des die Pressitzkräfte übertragenden Bereichs vergrössert ist. Da der die Presssitzkräfte übertragende Bereich bis an das axiale Stirnende heranreicht, hat der Werkzeughalter verbesserte Drehmo-
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mentübertragungseigenschaften.
Der die Presssitzkräfte übertragende Bereich hat eine definierte axiale Länge, vorzugsweise etwa das 2- bis 3fache des Durchmessers der Aufnahmeöffnung, was die thermische Aufweitung erleichtert, da sie auf den definierten Bereich begrenzt bleiben kann. Dennoch kann die teleskopierbare Länge jeder Verlängerungshülse und des Hülsenteils beträchtlich grösser gewählt werden, nachdem der den teleskopierbaren Längenüberschuss aufnehmende Bereich im Durchmesser vergrössert ist. Die axiale Länge des Durchmesser vergrösserten Bereichs der Aufnahmeöffnung zumindest der Verlängerungshülsen beträgt zweckmässigerweise wenigstens das 1,5-fache, vorzugsweise wenigstens das 2-fache der axialen Länge des die Presssitzkräfte übertragenden Bereichs.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass von dem vom Kupplungsschaft axial abgewandten Ende des Presssitzkräfte übertragenden Bereichs zumindest der im Durchmesser kleinsten Verlängerungshülse in Umfangsrichtung der Aufnahmeöffnung verteilt mehrere axial langgestreckte, zur Aufnahmeöffnung offene, die Verlängerungshülse radial jedoch nicht vollständig durchdringende Schlitze ausgehen. Schlitze dieser Art erhöhen, wenn sie in hinreichender Anzahl vorhanden sind, den für die Schrumpfdehnung wirksamen Durchmesser in dem die Presssitzkräfte übertragenden Bereich bezogen auf den Innendurchmesser der Aufnahme- öffnung und senken damit die Anforderungen an die Einhaltung von Herstellungstoleranzen.
Dies ist besonders bei kleinen Innendurchmessern von Bedeutung, wenn Klemmprobleme beim Ausschrumpfen des Werkzeugschafts oder ggf. der Verlängerungshülsen vermieden werden sollen. Die Schlitze sind in die ansonsten ringförmig geschlossene Verlängerungshülse eingebracht. Vorzugsweise ist jede der Verlängerungshülsen oder/und der Hülsenteil mit solchen den für die Schrumpfdehnung wirksamen Durchmesser erhöhenden Schlitzen versehen.
Die Schlitze beginnen bevorzugt im Wesentlichen direkt an dem vom Kupplungsschaft axial abgewandten Stirnende und erstrecken sich in axialer
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Richtung zweckmässigerweise über wenigstens 5 - 10 mm, da hier die
Ausschrumpfprobleme am grössten sind, bevorzugt aber mindestens über die Länge des die Presssitzkräfte übertragenden Bereichs der Aufnahmeöff- nung und können ggf. in axialer Richtung sich ändernde radiale Tiefe ha- ben, insbesondere von der Einsteckseite des Werkzeugschafts zum Kupp- lungsschaft hin abnehmende radiale Tiefe haben.
Um die das Drehmoment übertragende Kontaktfläche der Aufnahmeöffnung möglichst wenig zu verringern, ist die Breite der Schlitze in Umfangsrich- tung so gering wie möglich. Zweckmässigerweise haben die Schlitze in Umfangsrichtung eine Breite zwischen 0,1mm und 0,5 mm.Um trotz der geringen Breite einfach hergestellt werden zu können, haben die Schlitze im Wesentlichen parallele Schlitzwände.
Die radiale Tiefe der Schlitze bestimmt die Erhöhung des für die Wärmedeh- nung wirksamen Durchmessers des die Presssitzkräfte übertragenden Bereichs. Die radiale Tiefe ist so bemessen, dass sich ein wirksamer Deh- nungsdurchmesser ergibt, der es erlaubt, die Aufnahmeöffnung mit hinrei- chend grossen und damit einfach zu realisierenden Toleranzen herzustellen.
Da der wirksame Dehnungsdurchmesser des Hülsenteils umso grösser sein soll, je kleiner der Nenn-Durchmesser der Aufnahmeöffnung ist, ist in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass die radiale Tiefe der Schlitze im Presssitzkräfte übertragenden Bereich der Aufnahmeöffnung bei einem Nenn-Durchmesser der Aufnahmeöffnung kleiner oder gleich 10 mm grösser als der 0,1-fache Nenn-Durchmesser, bevorzugt gleich oder grösser als der 0,2-fache Nenn-Durchmesser ist. Der Nenn-Durchmesser ist hierbei der Wert des Aussendurchmessers des im Presssitzkräfte übertragenden Be- reich aufgenommenen Elements.
Bei einem Nenn-Durchmesser der Auf- nahmeöffnung kleiner oder gleich 6 mm ist die radiale Tiefe der Schlitze bevorzugt grösser als der 0,15-fache Nenn-Durchmesser besser aber gleich oder grösser als der 0,3-fache Nenn-Durchmesser und bei einem Nenn- Durchmesser der Aufnahmeöffnung kleiner oder gleich 3 mm ist die radiale
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Tiefe zweckmässigerweise grösser als der 0,2-fache Nenn-Durchmesser bevorzugt aber gleich oder grösser als der 0,5-fache Nenn-Durchmesser.
Diese Abmessungen stellen sicher, dass die zwischen den Schlitzen verbleibenden Stegbereiche des Hülsenteils bei Drehmomentbelastung noch hinreichend biegesteif sind.
Die Anzahl der in Umfangsrichtung bevorzugt in gleichen Winkelabständen angeordneten Schlitze soll einen Kompromiss zwischen hinreichender Tragfähigkeit der zwischen den Schlitzen verbleibenden Stegbereiche einerseits und der Verbesserung des Dehnungsverhaltens der Verlängerungshülse andererseits sein. Zweckmässigerweise sind wenigstens 6 Schlitze, besser jedoch wenigstens 8 Schlitze, vorgesehen. Um die bei der Drehmomentübertragung wirksame Kontaktfläche nicht allzusehr zu verringern, sind zweckmässigerweise weniger als 20 Schlitze vorgesehen.
Die radial aussenliegenden Böden der Schlitze liegen bevorzugt auf der Mantelkontur eines Kegels mit dem Kupplungsschaft axial zugewandter Kegelspitze. Dies erleichtert die Herstellung auch relativ schmaler Schlitze, beispielsweise im Drahterosionsverfahren.
Im Folgenden werden bevorzugt die Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt: Fig. 1 A einen Axiallängsschnitt durch einen 2-fach teleskopierbaren, erfindungsgemässen Werkzeughalter in maximal verlängerter Position ; Fig. 1 B den Werkzeughalter aus Fig. 1 A in maximal verkürzter Position; Fig. 2A einen Axiallängsschnitt durch einen 3-fach teleskopierbaren, erfindungsgemässen Werkzeughalter in maximal ausgezogener Position; Fig. 2B den Werkzeughalter aus Figur 2A in minimaler Position ; Fig. 3 einen Axiallängsschnitt durch eine bei den Werkzeughaltern der Fig.
1 und 2 verwendbare Verlängerungshülse und Fig. 4 eine Stirnansicht der Verlängerungshülse, gesehen in Richtung eines Pfeils IV in Fig. 3.
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Die Fig. 1 A und 1 B zeigen einen teleskopierbaren Werkzeughalter 1 einmal auf seine maximale Länge ausgezogen (Fig. 1 A) und zum anderen auf seine minimale Länge zusammengeschoben (Fig. 1 B). Der zur Aufnahme eines mit seinem Werkzeugschaft bei 3 angedeuteten, im Betrieb um eine Dreh- achse 5 rotierenden Werkzeugs, beispielsweise eines Bohrers, eines Fräsers oder eines Reibwerkzeugs, bestimmte Werkzeughalter 1 hat ein Basisele- ment 7, welches an seinem werkzeugfernen axialen Ende in einem Kupp- lungsschaft 9 für die Verbindung mit einer rotierend angetriebenen, nicht näher dargestellten Maschinenspindel versehen ist. Im dargestellten Aus- führungsbeispiel ist der Kupplungsschaft 9 als Norm-Steilkegel ausgebildet.
Das Basiselement 7 geht auf seiner werkzeugnahen Seite in ein Hülsenteil 11 über, welches eine zur Drehachse 5 zentrischen Aufnahmeöffnung 13 mit Kreiszylinderkontur enthält. In der Aufnahmeöffnung 13 des Hülsenteils 11 sitzt im Presssitz eine rohrzylindrische Verlängerungshülse 15, die in ihrer axial durchgehenden, gleichfalls kreiszylindrisch konturierten Auf- nahmeöffnung 17 eine weitere Verlängerungshülse 19 im Presssitz enthält.
Auch die Verlängerungshülse 19 hat eine axial durchgehende Aufnahmeöff- nung 21, die in nachfolgend noch näher erläuterter Weise den Werkzeug- schaft 3 gleichfalls im Presssitz aufnimmt. Das von der Maschinenspindel auf den Kupplungsschaft 9 ausgeübte Drehmoment wird über die Presssitz- verbindungen auf den Werkzeugschaft 3 übertragen.
Jede der Aufnahmeöffnungen 13,17, 21 sowohl des Hülsenteils 11 als auch der Verlängerungshülsen 15,19 überträgt die Presssitzkräfte nur in einem an das werkzeugseitige Stirnende 23 des Hülsenteils 11bzw. der Verlängerungshülsen 15,19 im Wesentlichen unmittelbar anschliessenden Bereich 25.
Zum Kupplungsschaft 9 hin ist jede der Aufnahmeöffnungen 13,17, 21 hin verlängert und in ihrem Durchmesser soweit vergrössert, derart dass sie die im Bereich 25 im Presssitz gehaltene Verlängerungs- hülse mit vergleichsweise geringem radialen Spiel aufzunehmen vermag.
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Der Hülsenteil 11und die Verlängerungshülsen 15,19 bestehen aus wär- mefestem Stahl und sind jeweils im Presssitzkräfte übertragenden Bereich mittels einer bei 27 schematisch angedeuteten Induktionsheizeinrichtung erwärmbar und damit thermisch bis auf einen Durchmesser aufweitbar, der es erlaubt, die Verlängerungshülse 15 bzw. 19 oder den Werkzeugschaft 3 relativ zur zugeordneten Aufnahmeöffnung 13 bzw. 17 oder 21 axial zu verschieben bzw. in die Aufnahmeöffnung einzusetzen oder aus ihr her- auszunehmen.
Nach dem Abkühlen des Bereichs 25 schrumpfen der Hül- senteil 11bzw. die Verlängerungshülsen 15,19 wieder auf das Presssitz- kräfte erzeugende Mass zurück. Geeignete induktive Heizeinrichtungen sind in WO 01/89 758 Al erläutert.
Der die Presssitzkräfte übertragende Bereich hat eine axiale Länge, die etwa das 2- bis 3-fache des Aussendurchmessers des in diesem Bereich 25 zu haltenden Elements beträgt. So ist beispielsweise der Bereich 25 der Verlängerungshülse 19 in axialer Richtung etwa zwei- bis dreimal so lang, wie der Werkzeugschaft 3 in seinem zu spannenden Abschnitt dick ist. Der im Durchmesser vergrösserte an dem Bereich 25 axial anschliessende Be- reich zumindest der Aufnahmeöffnungen 17,21 der Verlängerungshülsen 15, 19 ist wenigstens um das 2-fache länger als der Presssitzkräfte über- tragende Bereich 25 dieser Aufnahmeöffnung.
Der im Durchmesser ver- grösserte Bereich der Aufnahmeöffnung 13 des Basiselements 7 kann aus Kostengründen ggf. auch kürzer als der Presssitzkräfte übertragende Be- reich 25 des Hülsenteils 11sein, insbesondere wenn das Basiselement 7 mit Stellorganen für die axiale Voreinstellung des Werkzeugs relativ zum Basiselement 7 ausgerüstet ist.
Die Fig. 2A und 2B zeigen eine Variante eines 3-fach teleskopierbaren Werkzeughalters, der sich von dem Werkzeughalter der Fig. 1 A und 1 B lediglich durch die erhöhte Zahl seiner Verlängerungshülsen und die Art seines Kupplungsschafts unterscheidet. Gleichwirkende Komponenten sind hier, wie auch bei der nachfolgenden Erläuterung weiterer Varianten, mit
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den Bezugszahlen der Fig. 1 A und 1 B bezeichnet und zur Unterscheidung mit einem Buchstaben versehen. Zur Erläuterung des Aufbaus und der Wirkungsweise wird auf die Beschreibung der Figuren 1 A und 1 B verwie- sen.
Der in Fig. 2A im vollständig ausgezogenen Zustand und in Fig. 2B im vollständig verkürzten Zustand dargestellte, teleskopierbare Werkzeughalter
1 a ist zur Verbindung mit der Maschinenspindel mit einem als HSK-Kegel ausgebildeten Kupplungsschaft 9a versehen und umfasst eine dritte Ver- längerungshülse 29, die in ihrem Aufbau und ihrer Funktion den Verlänge- rungshülsen 15a und 19a entspricht und im dargestellten Ausführungs- beispiel zwischen die Verlängerungshülsen 15a und 19a eingesetzt ist. Die zusätzliche Verlängerungshülse 29 vergrössert den nutzbaren axialen Hub des Werkzeughalters 1 a.
Auch die Verlängerungshülse 29 hat eine axial durchgehende Aufnahmeöffnung 31, die unmittelbar an ihr werkzeugseiti- ges Stirnende 23a anschliessend einen Presssitzkräfte auf die Verlänge- rungshülse 19a übertragenden Bereich 25a bildet und sich zum Kupplungs- schaft 9a hin im Durchmesser vergrössert fortsetzt, wie dies vorangegangen anhand der Fig. 1 A und 1 B erläutert wurde. Im übrigen ist der Werkzeug- halter 1 a gleich dem Werkzeughalter 1 aufgebaut und kann durch eine induktive Heizeinrichtung für die axiale Positionierung und das Einsetzen bzw. Entnehmen des Werkzeugschafts 3a in den Bereichen 25a wärmege- dehnt werden. Es versteht sich, dass ggf. auch mehr als drei Verlänge- rungshülsen vorhanden sein können.
Zweckmässigerweise stehen dem Benutzer ein Satz im Innen- und Aussendurchmesser unterschiedlich ge- stufter Verlängerungshülsen zur Verfügung, um so den Werkzeughalter an unterschiedliche Gesamtlängenerfordernisse oder/und unterschiedliche Werkzeugschaftdurchmesser anpassen zu können.
Der die Presssitzkräfte übertragende Bereich 25 der Aufnahmeöffnung des Hülsenteils als auch jeder Verlängerungshülse der vorstehend erläuterten Werkzeughalter kann eine kreiszylindrische Mantelfläche haben. Der Durch-
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messer dieser Mantelfläche bestimmt das Wärmedehnungsverhalten, denn dieser Durchmesser muss sich zum Freigeben des darin im Presssitz gehal- tenen Elements schneller oder/und stärker aufweiten als das im Presssitz gehaltene Element, wenn es nicht zu unerwünschten Klemmeffekten kom- men soll. Solange der Durchmesser relativ gross ist, ist dies in aller Regel möglich.
Bei kleinen Durchmessern hingegen muss die Mantelfläche der Aufnahmeöffnung oder/und der Aussenmantel des im Presssitz zu halten- den Elements, beispielsweise des Werkzeugschafts, mit hinreichend kleinen Toleranzen hergestellt werden, wenn das Ausschrumpfen problemlos vonstatten gehen soll.
Ausschrumpfprobleme können insbesondere bei der durchmesserkleinsten Verlängerungshülse auftreten, wie sie in Fig. 1 bei 19 oder Fig. 2 bei 19a dargestellt ist. Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Ausgestaltung einer Verlänge- rungshülse 19c, deren Aufnahmeöffnung 21 c in dem die Presssitzkräfte übertragenden Bereich 25c wenigstens 6, jedoch höchstens 20, hier 8, zur Aufnahmeöffnung 21 c offene, die Verlängerungshülse 19c jedoch nicht vollständig durchdringende, axial langgestreckte Schlitze 33 enthält. Die Schlitze 33 beginnen im Wesentlichen unmittelbar am werkzeugnahen Stirnende 23c der Verlängerungshülse 19c und erstrecken sich in axialer Richtung wenigstens 5 bis 10 mm, vorzugsweise jedoch über den gesam- ten Presssitzkräfte übertragenden Bereich 25c.
Die Schlitze 33 sind un- mittelbar in das Material der vorzugsweise aus wärmefestem Stahl beste- henden Verlängerungshülse 19c eingearbeitet. Der sich radial aussen an den Bereich der Schlitze 33 anschliessende Umfangsbereich 35 ist ringför- mig geschlossen. Das Dehnungsverhalten dieses Bereichs wird nun durch den Durchmesser des die radial äusseren Böden 37 der Schlitze 33 enthal- tenden Umkreises bestimmt und nicht mehr durch den Durchmesser der Aufnahmeöffnung 21 c. Die Aufnahmeöffnung 21 c wird damit im Bereich 25c stärker gedehnt als es bei einer Verlängerungshülse ohne radiale Schlitze der Fall wäre und kann deshalb entsprechend auch bei kleinen Nenn-Durchmessern mit grösseren Toleranzen hergestellt werden.
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Wie bereits vorangegangen beschrieben, ist die Aufnahmeöffnung 21 c gestuft. An den die Presssitzkräfte übertragenden Bereich 25c schliesst sich auf der werkzeugfernen Seite ein Bereich mit etwas vergrössertem Durch- messer an, so dass der zu spannende Werkzeugschaft ausschliesslich im
Bereich 25c gehalten wird. Auch hier hat der Bereich 25c eine Länge gleich etwa dem 2- bis 3-fachen des zu spannenden Nenn-Durchmessers.
Um die das Drehmoment übertragende Kontaktfläche zum Werkzeugschaft möglichst gross zu halten, sind die Schlitze 33 möglichst schmal, beispiels- weise in Umfangsrichtung zwischen 0,1 mm und 0,5 mm, besser kleiner als 0,4 mm breit. Die Schlitzwände verlaufen zueinander parallel, um zwi- schen den Schlitzen 33 gelegene Stegbereiche 39 im Sinne einer hohen
Biegefestigkeit bei Drehmomentbelastung zu gestalten. Auch die Anzahl der
Schlitze 33 zwischen 6 und 20, vorzugsweise 8 Schlitzen, stellt einen
Kompromiss zwischen hinreichend grosser Kontaktfläche der Aufnahmeöff- nung 19c einerseits und hinreichender Biegefestigkeit der Stegbereiche 39 andererseits dar.
Die radiale Tiefe der Schlitze 33 hängt zweckmässigerweise vom Nenn- Durchmesser der Aufnahmeöffnung 19c ab. In einem Bereich mit einem Nenn-Durchmesser des Werkzeugschafts kleiner gleich 3 mm ist die radiale Tiefe der Schlitze gleich oder grösser als der 0,5-fache Nenn-Durchmesser gewählt. Mit grösser werdendem Nenn-Durchmesser kann das Verhältnis der Schlitztiefe zum Nenn-Durchmesser verringert werden. Bei einem Nenn- Durchmesser zwischen 4 mm und 20 mm genügt im Einzelfall eine radiale Schlitztiefe von 2 mm. Bei einem Nenn-Durchmesser grösser 25 mm sollte die Schlitztiefe wenigstens 2,5 mm betragen. Die vorstehenden Tiefen- angaben beziehen sich auf den Bereich der Stirnfläche 23c.
Wenngleich die Schlitze 33 über die gesamte axiale Länge die vorstehend genannten Tiefenabmessungen haben sollen, so kann die radiale Tiefe jedes Schlitzes in Längsrichtung jedoch auch verändert werden. So können, wie
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Fig. 3 zeigt, die Böden 37 der Schlitze 33 auch auf dem Mantel eines bei 41 angedeuteten Kegels liegen, dessen Kegelspitze 43 nahe dem werkzeugfernen Ende der Verlängerungshülse 19c liegt. Derartige Schlitze lassen sich, selbst wenn sie in Umfangsrichtung sehr schmal sind, z. B. in einem Draht-Erosionsverfahren, herstellen.
Die Fig. 3 und 4 zeigen die Gestaltung des Presssitzkräfte übertragenden Bereichs der dem Spannschaft am weitesten entfernt gelegenen Verlängerungshülse. Es versteht sich, dass Schlitze der vorstehenden Art nicht nur in den übrigen Verlängerungshülsen, sondern auch an dem Hülsenteil des Basiselements vorgesehen sein können.
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The invention relates to a length-adjustable tool holder for a rotating tool.
Conventional tool holders for rotating tools, for example drills, milling cutters or reaming tools, as are known for example from US Pat. No. 5,311,654, have a base element which is provided with a coupling shaft for connection to a machine tool and which axially faces away from the coupling shaft in a central receiving opening forming sleeve part ends. The coupling shaft can be a conventional standard connection, for example in the form of a steep cone or the like.
The sleeve part receives the shaft of the tool in a press fit and can be thermally expanded by means of a heating device, preferably an inductive heating device, so that the tool shaft which is stuck in the sleeve part in the cooled state is axially inserted into or removed from the receiving opening of the sleeve part - can be pulled.
From US 5 311654 it is also known to design the tool holder in two parts. A tubular-cylindrical reducing sleeve is shrunk into the receiving opening of the base element and in turn forms a receiving opening for the tool shank. The reducing sleeve also receives the tool shank in a press fit and projects with its area that transmits the press-fit forces over the sleeve part of the base element, so that the reduction sleeve thermally, regardless of whether it is inserted into the base element or not, for changing the tool , for example by means of the induction heating device.
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The receiving opening of both the sleeve part and the reducing sleeve extends over the entire axial length of the tool holder and is -in which the press-fit forces on the tool shaft, inner
Mantle area provided with several, for example 4 grooves, in the
Operation of the tool coolant can be supplied to the tool through the tool holder.
In practice, it is desirable to have adjustable tool holders, in particular in the form of the heat-shrinkable tool holders explained above. With conventional heat-shrinkable tool holders, the tool shank can be positioned axially in many cases, but this possibility is subject to comparatively narrow limits due to the uniformly defined dimensions of the tool holder. It is an object of the invention to provide a heat-shrinkable tool holder which allows the tool to be selectively positioned within very wide limits relative to the coupling shaft without impairing the torque transmission properties of the tool holder.
To achieve this object, a length-adjustable tool holder for a rotating tool is proposed according to the invention, which is characterized by: a base element provided with a coupling shaft for connection to a machine tool, which ends axially facing away from the coupling shaft in a sleeve part forming a central receiving opening and by several tubular cylindrical ones Extension sleeves, each forming a central receiving opening, of which a first is axially variably positionable in the press fit in the receiving opening of the sleeve part and each further one of the extension sleeves is axially variably positionable in the press fit in the receiving opening of the extension sleeve adjacent to the base element,
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the tool with its shank being press-fitted in the receiving opening of the extension sleeve which is furthest away from the base element and the region of the sleeve part and each of the extension sleeves which transfers the press-fit forces for the insertion or positioning or removal of the extension sleeve or the work - Shaft can be expanded by heating, in particular by means of an induction heating device.
In such a tool holder, the extension sleeves can be telescoped relative to one another and to the sleeve part of the base element, so that the overall axial length of the tool holder can be varied within very wide limits. The surfaces assigned to one another, which are involved in the transfer of the press-fit forces, can be manufactured with high precision, so that precise concentricity properties are achieved despite variable positioning.
The outer diameters of the extension sleeves expediently correspond to standard diameters of tool shanks, so that the number of extension sleeves used for the extension can be selected in accordance with practical requirements and, if necessary, not only the axial length with a set of extension sleeves graduated in outer diameter and / or inner diameter of the tool holder can be varied, but also the tool holder can be adapted to the nominal diameter of the tool shank that is ultimately to be clamped.
In a preferred embodiment, it is provided that the area of the sleeve part and the extension sleeves that transmits the press-fit forces essentially extends as far as the front end axially facing away from the coupling shaft, and the receiving opening of the sleeve part or / and the extension sleeves extends over the area that transmits the press-fit forces axially extended towards the coupling shaft and enlarged in diameter in relation to the diameter of the area transmitting the press-fit forces. Since the area that transfers the press-fit forces extends to the axial front end, the tool holder has improved torque
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ment transmission properties.
The area that transmits the press-fit forces has a defined axial length, preferably approximately 2 to 3 times the diameter of the receiving opening, which facilitates thermal expansion, since it can remain limited to the defined area. Nevertheless, the telescopic length of each extension sleeve and of the sleeve part can be chosen to be considerably greater after the diameter of the area which accommodates the telescopic excess length is increased. The axial length of the diameter-enlarged area of the receiving opening of at least the extension sleeves is expediently at least 1.5 times, preferably at least 2 times the axial length of the area transmitting the press-fit forces.
In a preferred embodiment it is provided that from the end of the press-fit force-transmitting area axially facing away from the coupling shaft, at least the smallest extension sleeve with a diameter in the circumferential direction of the receiving opening has a plurality of axially elongated slots which are open to the receiving opening but radially not completely penetrating the extension sleeve. If these slots are available in sufficient numbers, they increase the effective diameter for shrinking expansion in the area that transmits the press-fit forces in relation to the inside diameter of the receiving opening and thus reduce the requirements for compliance with manufacturing tolerances.
This is particularly important for small inner diameters if you want to avoid clamping problems when shrinking the tool shank or the extension sleeves. The slots are made in the otherwise annularly closed extension sleeve. Each of the extension sleeves and / or the sleeve part is preferably provided with slots which increase the diameter effective for shrinking expansion.
The slots preferably begin essentially directly at the end facing axially away from the coupling shaft and extend axially
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Direction expediently over at least 5 - 10 mm, since here the
Shrinkage problems are greatest, but preferably at least over the length of the area of the receiving opening that transmits the press-fit forces, and may have a radial depth that changes in the axial direction, in particular, the radial depth decreasing from the insertion side of the tool shaft to the coupling shaft ,
In order to reduce the contact area of the receiving opening that transmits the torque as little as possible, the width of the slots in the circumferential direction is as small as possible. The slots in the circumferential direction expediently have a width of between 0.1 mm and 0.5 mm. In order to be easy to manufacture despite the small width, the slots have essentially parallel slot walls.
The radial depth of the slots determines the increase in the diameter of the area which transmits the press-fit forces and is effective for thermal expansion. The radial depth is dimensioned in such a way that there is an effective expansion diameter which allows the receiving opening to be produced with sufficiently large and thus easy to implement tolerances.
Since the effective expansion diameter of the sleeve part is to be greater, the smaller the nominal diameter of the receiving opening, it is provided in a preferred embodiment that the radial depth of the slots in the area of the receiving opening that transfers press-fit forces is less than or equal to a nominal diameter of the receiving opening 10 mm larger than 0.1 times the nominal diameter, preferably equal to or larger than 0.2 times the nominal diameter. The nominal diameter is the value of the outside diameter of the element accommodated in the area that transfers the press-fit forces.
With a nominal diameter of the receiving opening of less than or equal to 6 mm, the radial depth of the slots is preferably greater than 0.15 times the nominal diameter better but equal to or greater than 0.3 times the nominal diameter and with one The nominal diameter of the receiving opening is less than or equal to 3 mm is the radial
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Depth expediently greater than 0.2 times the nominal diameter, but preferably equal to or greater than 0.5 times the nominal diameter.
These dimensions ensure that the web areas of the sleeve part remaining between the slots are still sufficiently rigid under torque load.
The number of slots, which are preferably arranged at equal angular intervals in the circumferential direction, is intended to be a compromise between sufficient load-bearing capacity of the web regions remaining between the slots on the one hand and improvement of the elongation behavior of the extension sleeve on the other. At least 6 slots, but preferably at least 8 slots, are expediently provided. In order not to reduce the effective contact area for torque transmission too much, fewer than 20 slots are expediently provided.
The radially outer bottoms of the slots preferably lie on the outer contour of a cone with the cone tip axially facing the coupling shaft. This also facilitates the production of relatively narrow slots, for example in the wire erosion process.
The exemplary embodiments of the invention are preferably explained in more detail below with reference to a drawing. 1A shows an axial longitudinal section through a 2-fold telescopic tool holder according to the invention in the maximally extended position; 1 B shows the tool holder from FIG. 1 A in the maximally shortened position; 2A shows an axial longitudinal section through a triple telescopic tool holder according to the invention in the maximum extended position; 2B shows the tool holder from FIG. 2A in the minimal position; 3 shows an axial longitudinal section through a tool holder in FIG.
1 and 2 usable extension sleeve and FIG. 4 is an end view of the extension sleeve, viewed in the direction of an arrow IV in FIG. 3.
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1A and 1B show a telescopic tool holder 1 once extended to its maximum length (FIG. 1A) and pushed together to its minimum length (FIG. 1B). The tool holder 1 intended for receiving a tool, indicated with its tool shaft at 3 and rotating in operation about an axis of rotation 5, for example a drill, a milling cutter or a reaming tool, has a base element 7, which at its axial end remote from the tool in one Coupling shaft 9 is provided for the connection with a rotatingly driven machine spindle, not shown. In the exemplary embodiment shown, the coupling shaft 9 is designed as a standard steep taper.
The base element 7 merges on its side near the tool into a sleeve part 11 which contains a receiving opening 13 with a circular cylinder contour which is central to the axis of rotation 5. In the receiving opening 13 of the sleeve part 11, a tubular cylindrical extension sleeve 15 is seated, which contains a further extension sleeve 19 in the press fit in its axially continuous, likewise circular cylindrical contoured receiving opening 17.
The extension sleeve 19 also has an axially continuous receiving opening 21, which also receives the tool shank 3 in a press fit in a manner which will be explained in more detail below. The torque exerted by the machine spindle on the coupling shaft 9 is transmitted to the tool shaft 3 via the press fit connections.
Each of the receiving openings 13, 17, 21 of both the sleeve part 11 and the extension sleeves 15, 19 transmits the press-fit forces only in one of the tool-side end 23 of the sleeve part 11 or. of the extension sleeves 15, 19 essentially directly adjoining area 25.
Towards the coupling shaft 9, each of the receiving openings 13, 17, 21 is extended and its diameter is enlarged to such an extent that it is able to accommodate the extension sleeve held in the press fit in the area 25 with a comparatively small radial clearance.
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The sleeve part 11 and the extension sleeves 15, 19 are made of heat-resistant steel and can each be heated in the area that transfers the press-fit forces by means of an induction heating device, which is indicated schematically at 27, and can thus be thermally expanded to a diameter that allows the extension sleeve 15 or 19 or the Axially move tool shank 3 relative to the associated receiving opening 13 or 17 or 21 or insert it into the receiving opening or remove it from it.
After the area 25 has cooled, the sleeve part 11 or the extension sleeves 15, 19 back to the dimension generating the press-fit forces. Suitable inductive heating devices are explained in WO 01/89 758 A1.
The area that transmits the press-fit forces has an axial length that is approximately 2 to 3 times the outer diameter of the element to be held in this area 25. For example, the area 25 of the extension sleeve 19 in the axial direction is approximately two to three times as long as the tool shank 3 is thick in its section to be clamped. The area of at least the receiving openings 17, 21 of the extension sleeves 15, 19 which is axially enlarged at the area 25 and is at least twice the area 25 of this receiving opening which transmits press-fit forces.
The area of the receiving opening 13 of the base element 7 which is enlarged in diameter can, for cost reasons, possibly also be shorter than the area 25 of the sleeve part 11 which transmits press-fit forces, in particular if the base element 7 is equipped with actuators for the axial presetting of the tool relative to the base element 7 is.
2A and 2B show a variant of a triple telescopic tool holder, which differs from the tool holder of FIGS. 1A and 1B only in the increased number of its extension sleeves and the type of its coupling shaft. Components having the same effect are here, as in the following explanation of further variants
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the reference numerals of Fig. 1 A and 1 B and provided with a letter to distinguish them. For an explanation of the structure and the mode of operation, reference is made to the description of FIGS. 1A and 1B.
The telescopic tool holder shown in FIG. 2A in the fully extended state and in FIG. 2B in the fully shortened state
1 a is provided for connection to the machine spindle with a coupling shaft 9 a designed as an HSK cone and comprises a third extension sleeve 29 which corresponds in its structure and function to the extension sleeves 15 a and 19 a and in the exemplary embodiment shown between the Extension sleeves 15a and 19a is used. The additional extension sleeve 29 increases the usable axial stroke of the tool holder 1 a.
The extension sleeve 29 also has an axially continuous receiving opening 31 which, directly at its end 23a on the tool side, then forms an area 25a which transmits press-fit forces to the extension sleeve 19a and continues to increase in diameter towards the coupling shaft 9a, as was previously explained with reference to 1A and 1B has been explained. Otherwise, the tool holder 1 a is constructed in the same way as the tool holder 1 and can be thermally expanded in the regions 25 a by an inductive heating device for the axial positioning and the insertion or removal of the tool shaft 3 a. It goes without saying that there may also be more than three extension sleeves.
Expediently, the user has a set of extension sleeves of different steps in the inside and outside diameter in order to be able to adapt the tool holder to different overall length requirements and / or different tool shank diameters.
The area 25 of the receiving opening of the sleeve part which transmits the press-fit forces, as well as each extension sleeve of the tool holder explained above, can have a circular-cylindrical outer surface. The through
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The diameter of this lateral surface determines the thermal expansion behavior, because this diameter must expand faster or / and more than the element held in the press fit in order to release the element held in the press fit if it is not to cause undesired clamping effects. As long as the diameter is relatively large, this is generally possible.
In the case of small diameters, on the other hand, the lateral surface of the receiving opening and / or the outer jacket of the element to be held in the press fit, for example the tool shank, must be produced with sufficiently small tolerances if the shrinking is to take place without problems.
Shrinkage problems can occur, in particular, in the case of the smallest-diameter extension sleeve, as shown in FIG. 1 at 19 or in FIG. 2 at 19a. 3 and 4 show an embodiment of an extension sleeve 19c, the receiving opening 21c of which in the area 25c transmitting the press-fit forces at least 6, but at most 20, here 8, open to the receiving opening 21c, but not completely penetrating the extension sleeve 19c, contains axially elongated slots 33. The slots 33 essentially begin directly at the end 23c of the extension sleeve 19c near the tool and extend in the axial direction at least 5 to 10 mm, but preferably over the entire area 25c which transmits press-fit forces.
The slots 33 are machined directly into the material of the extension sleeve 19c, which is preferably made of heat-resistant steel. The circumferential area 35, which adjoins the area of the slots 33 radially on the outside, is closed in a ring shape. The expansion behavior of this area is now determined by the diameter of the circumference containing the radially outer bottoms 37 of the slots 33 and no longer by the diameter of the receiving opening 21 c. The receiving opening 21 c is thus stretched more in the area 25 c than would be the case with an extension sleeve without radial slots and can therefore also be produced with larger tolerances even with small nominal diameters.
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As already described above, the receiving opening 21 c is stepped. On the side remote from the tool, an area with a somewhat larger diameter adjoins the area 25c which transmits the press-fit forces, so that the tool shank to be clamped exclusively in the
Area 25c is held. Here too, the area 25c has a length approximately 2 to 3 times the nominal diameter to be clamped.
In order to keep the contact area to the tool shank that transmits the torque as large as possible, the slots 33 are as narrow as possible, for example in the circumferential direction between 0.1 mm and 0.5 mm, better less than 0.4 mm wide. The slit walls run parallel to one another, around web areas 39 located between the slits 33 in the sense of a high
To design bending strength under torque load. Even the number of
Slots 33 between 6 and 20, preferably 8 slots, provides one
Compromise between a sufficiently large contact area of the receiving opening 19c on the one hand and sufficient flexural strength of the web regions 39 on the other hand.
The radial depth of the slots 33 expediently depends on the nominal diameter of the receiving opening 19c. In an area with a nominal diameter of the tool shank of less than or equal to 3 mm, the radial depth of the slots is selected to be equal to or greater than 0.5 times the nominal diameter. As the nominal diameter increases, the ratio of the slot depth to the nominal diameter can be reduced. With a nominal diameter between 4 mm and 20 mm, a radial slot depth of 2 mm is sufficient in individual cases. With a nominal diameter greater than 25 mm, the slot depth should be at least 2.5 mm. The above depth information relates to the area of the end face 23c.
Although the slots 33 are to have the aforementioned depth dimensions over the entire axial length, the radial depth of each slot can also be changed in the longitudinal direction. So how
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FIG. 3 shows that the bottoms 37 of the slots 33 also lie on the jacket of a cone indicated at 41, the cone tip 43 of which lies near the end of the extension sleeve 19c remote from the tool. Such slots can, even if they are very narrow in the circumferential direction, for. B. in a wire erosion process.
3 and 4 show the design of the area of the press-fit force-transmitting region of the extension sleeve which is furthest away from the clamping shaft. It goes without saying that slots of the above type can be provided not only in the other extension sleeves but also on the sleeve part of the base element.